A20地址线
void go_to_protected_mode(void)
{
/* Hook before leaving real mode, also disables interrupts */
realmode_switch_hook();
/* Move the kernel/setup to their final resting places */
move_kernel_around();
/* Enable the A20 gate */
if (enable_a20()) {
puts("A20 gate not responding, unable to boot...\n");
die();
}
/* Reset coprocessor (IGNNE#) */
reset_coprocessor();
/* Mask all interrupts in the PIC */
mask_all_interrupts();
/* Actual transition to protected mode... */
setup_idt();
setup_gdt();
protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,
(u32)&boot_params + (ds() << 4));
}
上面是内核从实模式进入保护模式的代码，其中调用enable_a20()函数以打开A20地址线，A20地址线是什么呢？这是本文的重点。先了解一些历史。
8086/8088 PC中，地址总线只有20根，最大的寻址能力只有1M，在实模式下，内存寻址采用16位段和偏移量的组合来寻址（注意这里的最大寻址空间：FFFF0+FFFF=10FFEF)，因为地址线只有20，所以如果寻址地址在100000以上时，就采用取模的方式，返回地址。到了80286的时候，地址总线变为24根，这样最大的寻址能力就有16M了，如果此时向下兼容，就会有一个问题：寻址在100000以上时，实际的物理内存是存在的，因为内存寻址最大都可以到16M，但在8086时，从0开始（取模）寻址。
如下图
为了解决这个问题，用第21根线（就是A20）来控制是否允许对100000以上的实际内存就行寻址。称为A20 Gate
- 如果A20 Gate开启，那么对0x100000-0x10FFEF之间的地址进行寻址时，系统访问实际的地址对应的物理内存。
- 如果A20 Gate被禁用，则对0x100000-0x10FFEF之间的地址进行寻址时，还是取模，从0开始访问内存。
int enable_a20(void)
{
int loops = A20_ENABLE_LOOPS;
#if defined(CONFIG_X86_ELAN)
/* Elan croaks if we try to touch the KBC */
enable_a20_fast();
while (!a20_test_long())
;
return 0;
#elif defined(CONFIG_X86_VOYAGER)
/* On Voyager, a20_test() is unsafe? */
enable_a20_kbc();
return 0;
#else
while (loops--) {
/* First, check to see if A20 is already enabled
(legacy free, etc.) */
if (a20_test_short())
return 0;
/* Next, try the BIOS (INT 0x15, AX=0x2401) */
enable_a20_bios();
if (a20_test_short())
return 0;
/* Try enabling A20 through the keyboard controller */
empty_8042();
if (a20_test_short())
return 0; /* BIOS worked, but with delayed reaction */
enable_a20_kbc();
if (a20_test_long())
return 0;
/* Finally, try enabling the "fast A20 gate" */
enable_a20_fast();
if (a20_test_long())
return 0;
}
return -1;
#endif
}
这个函数具体的就不分析了，引用一个高人分析的结果：
如果A20 Gate被打开了，则在实模式下，程序员可以直接访问100000H~10FFEFH之间的内存，如果A20 Gate被禁止，则在实模式下，若程序员访问100000H~10FFEFH之间的内存，则会被硬件自动转换为0H~0FFEFH之间的内存，所以我a20_test函数就是利用这个差异来检测A20 Gate是否被打开。
首先，61、62行，把fs和gs的值分别设置为0x0000和0xffff。然后64行调用rdfs32函数得到0000:4*0x80的内容并存放到32位的临时变量saved和ctr中。4*0x80=0x200，所以saved和ctr中存放的是内存地址0x200处的值。对应内核映像解压缩后的内存布局，我们知道这个地址属于BIOS的一些数据存放的区域，虽然我不知道这个地址到底是存的什么数据，但是可以肯定的是，这个数据可以随意修改，来做我们的A20测试的。
67行进入循环，使ctr加1，具体等于多少不知道，把这个32位的值写入0000:4*0x80对应的内存单元中。69行，“^”是按位异或运算符，即如果ffff: 4*0x80+0x10内存单元存放的值与ctr相等，则说明有可能刚刚写入的ctr其实是写入的0000:4*0x80内存单元。注意，ffff: 4*0x80+0x10换算实模式地址就是ffff0+4*0x80+0x10=0x100200，不过也不排除偶然的情况，这两个内存单元相等。所以继续循环，修改一下ctr的值，多试几次。
74行，跳出循环后，你刚才给人家0x200的地址对应的内存修改了数据，得给人家改回去啊，最后返回ok。如果执行了loops次这个ok都是0，就说明A20肯定没有打开。
回到enable_a20函数，如果bootloader没有已经关闭了A20的话（grub是肯定关闭了的），也就是第一个a20_test_short()没有成功，试试142行enable_a20_bios()：
| 91static void enable_a20_bios(void) 92{ 93struct biosregs ireg; 94 95initregs(&ireg); 96ireg.ax = 0x2401; 97intcall(0x15, &ireg, NULL); 98} |
嗯，没问题，调用BIOS的15号服务程序，打开A20。如果没成功，执行147行代码：
| 18#define MAX_8042_LOOPS100000 19#define MAX_8042_FF32 20 21static int empty_8042(void) 22{ 23u8 status; 24int loops = MAX_8042_LOOPS; 25int ffs= MAX_8042_FF; 26 27while (loops--) { 28io_delay(); 29 30status = inb(0x64); 31if (status == 0xff) { 32/* FF is a plausible, but very unlikely status */ 33if (!--ffs) 34return -1; /* Assume no KBC present */ 35} 36if (status & 1) { 37/* Read and discard input data */ 38io_delay(); 39(void)inb(0x60); 40} else if (!(status & 2)) { 41/* Buffers empty, finished! */ 42return 0; 43} 44} 45 46return -1; 47} |
0x64号端口号对应的是键盘控制器（keyboard controller, KBC）的状态寄存器，首先30行获得该控制器的状态值，保存到内部变量status中。status不能为0xff，否则出错返回。其次，status的最低位D0如果被设置，则说明键盘缓存中还有数据，则通过inb(0x60)从键盘缓存对应的端口读出来，并且置空。
介绍一下键盘控制器：主板的一个芯片。通过LPC总线和南桥相连。一般作用：键盘控制、LCD明暗度的调节、低级电源的管理、风扇、蓝牙等一些小功能。
注意这个逻辑关系，如果键盘缓存中没有内容，并且status的次低位D1不为1，则说明键盘缓存是空的，这时候empty_8042返回0，enable_a20再一次检测一下BIOS然后来到了153行，调用enable_a20_kbc()函数，利用键盘控制器来尝试打开A20：
| 100static void enable_a20_kbc(void) 101{ 102empty_8042(); 103 104outb(0xd1, 0x64);/* Command write */ 105empty_8042(); 106 107outb(0xdf, 0x60);/* A20 on */ 108empty_8042(); 109 110outb(0xff, 0x64);/* Null command, but UHCI wants it */ 111empty_8042(); 112} |
如果还打不开A20，没辙了，就来到enable_a20()的159行进行最后的努力，调用enable_a20_fast()函数。
| 114static void enable_a20_fast(void) 115{ 116u8 port_a; 117 118port_a = inb(0x92);/* Configuration port A */ 119port_a |=0x02;/* Enable A20 */ 120port_a &= ~0x01;/* Do not reset machine */ 121outb(port_a, 0x92); 122} |
注意这个enable_a20_fast，基于x86的主板都提供0x92端口来作为一个主板控制寄存器，所以，如果这个函数执行后都还是打不开A20的话，那也就没辙了，只好放弃。